0 引　言

随着全球贸易量的持续增长，港口吞吐量急剧增加，传统的舰船调度方式已难以满足当前高效、安全、协同的需求。当前，舰船调度面临诸多挑战。一方面，港口业务量的激增导致船舶等待时间延长，货物滞留成本上升，严重影响了港口的运营效率和服务质量。另一方面，船舶类型、货物特性的多样化以及港口设施的差异性，使得调度过程需考虑的因素更加复杂多变^[1]。

目前该领域也有很多学者研究船舶调度方法，杨锦等^[2]分析船闸+升船机模式下船舶通行特点后，依据滑动时间窗构建两阶段船舶调度优化模型，通过求解该模型，实现船舶调度。在分析“船闸+升船机”模式下的船舶通行特点时，如果未能充分考虑不同时间段、不同水流条件、不同船舶类型等因素对通行效率的影响，可能导致模型无法准确反映实际情况。杜尊峰等^[3]将船舶运输容量、成本和港口限制时间作为约束条件，以船舶最低运输成本作为目标并建立目标函数，通过启发式目标函数求解，实现船舶调度。但如果调度计划过于僵化或缺乏灵活性，可能无法有效应对突发情况或不确定性因素，这会导致调度效果不佳或无法达到预期目标。庄元等^[4]使用元胞自动机理论，建立船舶交通流模型，考虑船舶通行闸室分配规则，构建多线船闸调度优化模型，结合2个模型实现船舶优化调度。船舶调度需要实时、准确的数据支持，包括船舶的位置、速度、类型、载重等。如果数据获取不完整或存在误差，可能导致调度决策失误。

互联网环境下^[5]人们可以方便地获取各种信息、交流思想、开展商业活动。为此本文研究互联网环境下的舰船高效调度系统，并分析其性能。

1 舰船高效调度系统设计 1.1 系统技术框架

在互联网环境下，设计舰船高效调度系统技术框架，其结构如图1所示。系统由信息资源层、互联网层、支撑服务层和应用层组成，其中信息资源层包括舰船基本信息和港口与航道信息，将舰船信息、港口与航道信息通过互联网层的调度中心专线网络传输到支撑服务层内，支撑服务层通过存储服务器对舰船信息、港口与航道信息存储到数据库内，然后使用启发式船舶调度模型依据舰船信息、港口与航道信息对舰船进行高效调度后，将舰船高效调度结果传输到调度终端，再经由调度终端将舰船高效调度结果传输到应用层，应用层为用户呈现可视化的舰船高效调度结果，调度位置可视化、调度作业计划表以及提供用户舰船信息管理交互。

1.2 互联网层调度中心专线网络硬件架设

在互联网环境下，舰船高效调度系统通过调度中心专线网络实现信息传输。舰船通信系统为GSM通讯系统，舰船高效调度系统在互联网环境下，以无线方式连接GSM时，受其传输方式和传输速率影响，会存在数据传输吞吐量小、发送舰船高效调度请求和接收舰船高效调度结果时存在延迟情况，因此设计调度中心专线网络，该网络可满足上万个移动船舶通信需求，该专线网络结构如图2所示。

1.3 互联网环境下舰船调度信息可视化呈现方法

在舰船高效调度系统技术框架内，应用层接收到舰船高效调度信息后，以可视化的形式呈现给用户，设计互联网环境下，舰船调度信息可视化应用结构，如图3所示。舰船高效调度系统的应用层接收到舰船高效调度结果后，使用可视化场景发布功能对舰船高效调度场景进行编排、生成调度列表后，将调度可视化场景和调度列表传输到控制导播模块内，该模块生成调度场景快照、控制调度视频动态播放、画面标注以及调度画面多屏联动，并将以上结果通过舰船高清显示屏呈现给用户。

1.4 启发式舰船调度模型构建

舰船高效调度系统内支撑服务层使用启发式舰船调度模型实现舰船高效调度。舰船调动涉及因素较多，在此以单个泊位舰船调度出发，将舰船高效调度问题进行简化处理。令所有船舶均在指定的泊位上进行装卸，且同一条船舶最对在2个泊位之间移动完成货物装卸。船舶在高效调度过程中，以上2种情况均会出现，形成多工序调度问题。令$ E = \cup {E_i} $表示舰船作业计划集合，其中$ {E_i} $为第$ i $艘舰船作业计划，$ i = 1,2, \cdots ,n $，舰船作业计划集合的惩罚由$ {g_0} $表示，当舰船作业计划集合变更时，其惩罚也会随之变更，然后设置舰船调度规则如下：

规则1　在时刻为$ t $时，与舰船$ {s_i} $的离港时间$ {c_i} $最接近的舰船作业优先加入到调度队列内。

规则2　艘舰船离港时间与离出港需求日期之间差值最大的舰船优先加入调度队列。

规则3　需要多个泊位进行装卸的舰船优先加入调度队列

依据以上舰船调度规则，其启发式调度过程如下：

步骤1　令当前时间步$ t $为0，舰船调度可行集为$ {B_0} $，舰船装卸资源状态$ \lambda {r_s} $数值为1。

步骤2　建立舰船不可调度集和可调度集，分别由$ {A_0} $、$ {A_1} $表示。

步骤3　计算可调度集和舰船作业计划集合的交集，并选择满足条件的舰船将其添加到调度队列内，其过程为：

C₁为可调度集和舰船作业计划集合的交集，即：

$ C_1=K_1\cap E。$

(1)

选择C₁内满足规则一的舰船$ i $和该舰船的装卸工艺$ l $，然后更新舰船作业计划集合。计算舰船使用装卸工艺$ l $后，装卸货物的总完成时间f_il，即：

$ {f_{il}} = \sum {t_{il}} + t。$

(2)

式中：$ \sum {t_{il}} $为舰船使用状态工艺时装卸货物所需时间。

计算舰船在装卸货物过程中拖期惩罚费用g_i，公式为：

$ {g_i} = {\alpha _i} \times \min (\max (0,{f_{il}} - {Z_i}))。$

(3)

式中：α_i为舰船单位拖期费用；Z_i为舰船出港需求日期。

然后依据式(3)，计算舰船作业计划集合的总拖期费用$ {g_{Ei}} $，表达公式为：

$ {g_{Ei}} = \sum {g_i}。$

(4)

对比$ {g_0} $和总拖期费用大小，若$ {g_0} > \min {g_{Ei}} $，则将舰船添加到调度可行集内，然后进行下一步，反之则返回上一步。

步骤4　更新舰船不可调度集和可调度集，剔除不可调度集内满足上一步骤的舰船$ i $，同时提出舰船作业计划集合舰船$ i $对应的计划，并利用式(1)更新可调度集和舰船作业计划集合的交集。

步骤5　判断A₀与A₁的交集是否为空，若是则输出当前船舶调度集，反之则返回步骤3。

2 结果与分析

以某港口作为实验对象，使用本文方法对该港口的舰船进行高效调度，自动化和智能化的调度手段，实时掌握舰船的位置、状态和任务需求，提升港口的吞吐能力。

以舰船高效调度系统通信过程中的传播时延带宽积作为衡量指标，验证本文系统的通信传输能力，结果如图4所示。可知，本文系统在通信过程中传播时延带宽积数值较为稳定，其通信传输的时延数值较小，因此传播时延带宽积数值较小，系统实时通信能力较强。

以该港口内10艘舰船作为实验对象，使用本文方法对该10艘舰船进行高效调度，调度结果以列表方式呈现，如表1所示。可知，本文系统具备高效调度舰船能力，可保障舰船离港日期前调度舰船完成货物装载，其应用效果较佳。

以舰船入港到出港过程中的排位等待时间作为衡量指标，以8艘舰船作实验对象，分析本文系统对其进行高效调度前后，该8艘舰船排位等待时间，结果如图5所示。可知，本文系统对舰船进行高效调度后，可有效缩短舰船在入港和出港过程中的排位等待时间，可增加港口有效进出港班次。

以某艘舰船作为实验对象，使用本文系统对其进行高效调度后，以可视化方式呈现该艘舰船高效调度结果，如图6所示。可知，本文系统对该舰船进行高效调度后，可通过视觉可视化的方式呈现该舰船调度结果，其中使用绿色箭头指示该舰船停泊目的地，同时使用错号标记其他不可停泊泊位，明确指示该船舶调度位置。

3 结　语

在互联网环境下，舰船高效调度系统的设计与实现，不仅是对传统航运管理模式的革新，更是推动海洋经济高质量发展的关键举措，本文系统实现了舰船调度的智能化、自动化与可视化，极大地提升了调度效率与安全性，系统也将为海上应急救援、国防安全等领域提供更加精准、高效的支持，助力构建更加安全、便捷、智能的海上交通体系。